Beschreibung

Anordnung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms

Aus der Druckschrift DE 10 2005 024 075 B4 ist eine Vorrichtung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms bekannt.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Anordnung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms anzugeben, welche unabhängig von äußeren magnetischen Einflüssen eine korrekte Messung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms gemäß Anspruch 1 gelöst .

Die Anordnung weist einen mit einem Luftspalt versehenen Magnetkreis zur Kopplung mit einem elektrischen Leiter auf. In dem Luftspalt des Magnetkreises ist ein magnetfeldsensitives Bauelement zur Messung des von dem elektrischen Leiter erzeugten Magnetfeldes angeordnet. Im Luftspalt des Magnetkreises können sich zwei Steuerkerne befinden, die jeweils eine Steuerwicklung aufweisen, welche zur Sättigung des jeweiligen Steuerkerns dient.

Durch die Anordnung des magnetfeldsensitiven Bauelements zwischen den Steuerkernen befindet sich das magnetfeldsensitive Bauelement vorzugsweise in etwa in der Mitte des Luftspalts des Magnetkreises.

In der Nähe des magnetfeldsensitiven Bauelements befinden sich ein oder mehrere zusätzliche Elemente, die unabhängig von den Steuerkernen zur Führung von Magnetfeldern in der Umgebung der Messanordnung durch das magnetfeldsensitive Bauelement geeignet sind.

Magnetfelder in der Umgebung des magnetfeldsensitiven Bauelements, die nicht durch den elektrischen Leiter oder die Steuerwicklungen hervorgerufen werden, können die Messung in erheblichem Ausmaß verschlechtern.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das zusätzliche Element magnetische Eigenschaften auf, um störende externe Magnetfelder auf das magnetfeldsensitive Bauelement zu bündeln .

Bevorzugt weist das zusätzliche Element eine Permeabilitätszahl auf die größer als 1 ist.

Für das zusätzliche Element eignen sich besonders weichmagnetische Materialien, die eine Permeabilitätszahl aufweisen, die größer oder gleich der Permeabilitätszahl der Steuerkerne ist. Dafür geeignet sind vorzugsweise Materialien, die auch für die Steuerkerne Verwendung finden.

Das zusätzliche Element ist bevorzugt beidseitig des magnetfeldsensitiven Bauelements angeordnet, so dass mögliche magnetische Störfelder effektiv in der Nähe des magnetfeldsensitiven Bauelement gebündelt werden können und durch das magnetfeldsensitive Bauelement hindurch geführt werden können.

In einer Ausführungsform ist es auch möglich, dass das Element als ein integraler Bestandteil eines einstückigen Steuerkerns ausgebildet ist. Hierbei ist eine Auswölbung an den Steuerkernen oder eine Verdickung der Steuerkerne in der näheren Umgebung des magnetfeld-sensitiven Bauelements möglich, so dass zwischen den zusätzlichen Elementen und dem magnetfeldsensitiven Bauelement ein möglichst kleiner Luftspalt zustande kommt. Der Bereich der Verdickung oder Auswölbung der Steuerkerne weist auch bei Sättigung der Steuerkerne noch eine Restpermeabilität auf.

In einer weiteren Ausführungsform besteht das Element aus mehreren Einzelteilen, die zu einem Element zusammengefügt werden können.

Bevorzugt weist das zusätzliche Element bei vollständiger Sättigung der Steuerkerne durch die Steuerwicklungen eine Restpermeabilität auf, so dass störende Magnetfelder auch bei Sättigung der Steuerkerne weiterhin von dem zusätzlichen Element gebündelt und durch das magnetfeldsensitive Bauelement geführt werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das zusätzliche Element aus ferromagnetischem Material, beispielsweise einem Ferrit, einer nanokristallinen Metalllegierung oder aus Permalloy. Es eignen sich jedoch auch andere Materialien, die ferromagnetische Eigenschaften aufweisen.

Um eine zuverlässige Messung des in dem elektrischen Leiter fließenden Stroms zu ermöglichen, ist der Magnetkreis in der Lage, den elektrischen Leiter in seinem Querschnitt vollständig zu umgreifen.

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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Steuerkerne als Ferritkerne ausgebildet. Dabei werden die Ferritkerne besonders bevorzugt als rechteckige Rahmen ausgebildet, die auf mindestens einer Seite des Rahmens eine Steuerwicklung zur Sättigung des Ferritkerns aufweisen. In einer besonders effizienten Variante sind Steuerwicklungen auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmens angeordnet. Durch die Ausbildung des Steuerkerns in dieser Form kann eine effiziente Sättigung des Steuerkerns erreicht werden.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Ferritkerne als Ringe ausgebildet, die in mindestens einem Bereich des Rings eine Steuerwicklung zur Sättigung des Ferritkerns aufweisen. In einer besonders effizienten Variante sind Steuerwicklungen auf zwei gegenüberliegenden Bereichen des Ringes angeordnet, damit eine effiziente Sättigung des Steuerkerns erreicht wird.

In einer bevorzugten Variante sind die Rahmen oder Ringe der jeweiligen Steuerkerne so ausgerichtet, dass die in den jeweiligen Rahmen oder Ringen liegenden Ebenen bevorzugt in einer gemeinsamen Ebene liegen. Durch diese Anordnung, bei der die beiden Steuerkerne in einer Ebene liegen, wird die überlappfläche der Steuerkerne auf ein Maximum optimiert. Dadurch wird eine Minimierung des Luftspalts erreicht, in dem das magnetfeldsensitive Bauelement angeordnet ist.

In einer weitern Ausführungsform ist es auch möglich, dass die Steuerkerne nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen, sondern zueinander längs einer Achse, die durch die beiden Steuerkerne und das magnetfeldsensitive Bauelement führt, verdreht angeordnet sind.

Das magnetfeldsensitive Bauelement ist bevorzugt ein Hall- Sensor. Wird ein Hall-Sensor von einem Strom durchflössen und in ein senkrecht dazu verlaufendes Magnetfeld gebracht, liefert er eine Ausgangsspannung, die proportional zum Produkt aus magnetischer Feldstärke und Strom ist.

Zur Bestimmung des in dem elektrischen Leiter fließenden Stroms werden verschiedene Messungen mit Hilfe des Hallsensors durchgeführt. Eine erste Messung findet bei positiv gesättigten Steuerkernen statt, eine weitere Messung kurz nach dem Abschalten des Stroms der durch die Steuerwicklungen fließt. Eine weitere Messung erfolgt bei negativ gesättigten Steuerkernen, gefolgt von einer Messung kurz nach dem Abschalten des Stroms der durch die Steuerwicklungen fließt. Aus diesen vier Messungen kann, unter Berücksichtigung von bestimmten Faktoren, die sich durch die Sensitivität des Hallsensors bei gesättigten bzw. bei ungesättigten Steuerkernen ergeben, über bekannte Gleichungen die Stromstärke des durch den elektrischen Leiter fließenden Stroms berechnet werden.

Durch die neu hinzugefügten Elemente aus bevorzugt weichmagnetischem Material können störende Einflüsse durch externe Magnetfelder in den Gleichungen sowohl bei gesättigten Steuerkernen als auch bei ungesättigten Steuerkernen eliminiert werden, da diese Beiträge durch die zusätzlichen Elemente aneinander angeglichen werden können.

Die zusätzlichen bevorzugt weichmagnetischen Elemente in der Nähe des Hallsensors ermöglichen eine Angleichung der Beiträge der externen Störmagnetfelder in den Gleichungen zur Berechnung der Stromstärke, so dass diese Beiträge eliminiert werden können. Der Beitrag, der durch störende externe

Magnetfelder verursacht wird, wird somit bei Berechnung mit ungesättigten Steuerkernen, als auch bei Berechnung mit gesättigten Steuerkernen angeglichen und kann somit aus den Gleichungen eliminiert werden. Dadurch kann das lineare Gleichungssystem auf einfache Art und Weise gelöst werden und die Stromstärke des elektrischen Leiters ermittelt werden.

Dabei werden folgende zwei Gleichungen aufgestellt: R _L = n + Si * I + SBI * B _sta tic * sin (α)

R _H = n + s _h * I + Sßh * Brätle * sin (α)

In der Messung werden physikalische Größen oft in analoge elektrische Größen umgewandelt. Bei der Quantisierung wird der Messbereich der analogen Größe in eine endliche Zahl aneinander angrenzende Teilbereiche (Intervalle) aufgeteilt und jedem davon ein Wert eines endlichen symbolischen Systems zugeordnet (z.B. eine ganze Zahl) . Als Auflösung wird die Anzahl der verwendeten Teilbereiche der analogen Größe, bei binären symbolischen Systemen auch ihre Zweierpotenz (Auflösung in Bit) bezeichnet, jedoch bei gleich großen Intervallen auch die Größe der Intervalle selbst.

Die Quantisierungsschritte geben den Wert für das Messsignal in diskreter Form wieder.

In den oben aufgeführten Gleichungen gibt R _L die Anzahl der Quantisierungsschritte für die Messung bei geringer Sensitivität an und R _H die Anzahl bei hoher Sensitivität . Die Variable n gibt den Nullpunkt des magnetfeldsensitiven Bauelements in Quantisierungsschritte an. Die Variablen S ₁ und s _h geben die Sensitivität des magnetfeldsensitiven

Elements bei gesättigten Steuerkernen (si) bzw. bei ungesättigten Steuerkernen (s _h ) an. Die Variable B _sta tic bezeichnet die magnetische Flussdichte eines externen Magnetfeldes, und die Variable α gibt den Winkel, an, aus dem das externe Magnetfeld auf das magnetfeld-sensitive Bauelement trifft. Die Variable I gibt die Stromstärke des stromdurchflossenen Leiters an, die in der Messung ermittelt werden soll.

Die zusätzlichen bevorzugt weichmagnetischen Elemente in der Nähe des magnetfeldsensitiven Bauelements ermöglichen es nun, die Variablen s _B i und s _B h anzugleichen. Dadurch lässt sich das lineare Gleichungssystem zur Bestimmung der Stromstärke I auf einfache Art und Weise lösen.

Die Anordnung wird im Folgenden anhand von

Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert .

Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.

Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Figur 1 zeigt eine beispielhafte Anordnung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms.

Figur 2 zeigt einen Ausschnitt einer beispielhaften Anordnung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms .

Figur 3 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren beispielhaften Anordnung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms.

In Figur 1 ist eine mögliche Variante der beispielhaften Anordnung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms gezeigt, bei der ein Magnetkreis 2 der aus Ferrit bestehen kann einen elektrischen Leiter 1 umgreift. Der Magnetkreis 2 weist auf einer Seite einen Luftspalt 3 auf, in dem sich zwei Steuerkerne 5 befinden. Zwischen den Steuerkernen 5 befindet sich ein magnetfeldsensitives Bauelement 4, das zur Messung des in dem elektrischen Leiter 1 fließenden Stroms dient. Die Steuerkerne 5 weisen jeweils Steuerwicklungen 6 auf, die zur Sättigung der Steuerkerne 5 dienen. Diese Steuerwicklungen 6 befinden sich bevorzugt auf einer oder mehreren, bevorzugt gegenüberliegenden Seiten des Rahmens des Steuerkerns 5.

In einer weiteren Ausführungsform kann es sich bei den Steuerkernen 5 auch um Ringe handeln, die hier nicht dargestellt sind. Diese Ringe weisen in einem oder mehreren Bereichen Steuerwicklungen 6 auf, die bevorzugt in gegenüberliegenden Bereichen angeordnet sind.

Um Störungen bei der Messung des durch den elektrischen Leiter 1 fließenden Stroms auszuschließen bzw. bei der Bestimmung der benötigten Messwerte herauszurechnen, befinden sich in der Nähe des magnetfeldsensitiven Bauelements 4 weitere Elemente 7, die störende Magnetfelder bündeln und durch das magnetfeldsensitive Bauelement 4 leiten.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind für diese Elemente 7 bevorzugt weichmagnetische Materialien geeignet. Diese Elemente 7 können sowohl separat, als auch als Teilbereich des Steuerkerns ausgebildet sein. Es ist auch möglich die Elemente 7 aus mehreren Einzelteilen zusammenzusetzen. In einer bevorzugten Ausführungsform bilden die Elemente 7 einen Teil des Steuerkerns 5. In diesem Fall sind besonders Ausbuchtungen oder Verdickungen des Steuerkerns 5 in der Nähe des magnetfeldsensitiven Bauelements 4 geeignet.

Diese Elemente 7 können wie in der bevorzugten Ausführungsform aus dem gleichen Material bestehen wie die Steuerkerne 5. In einer weiteren Ausführungsform können die Elemente 7 jedoch auch als jedem beliebigen Material gebildet sein, das weichmagnetische Eigenschaften aufweist. Die Form des Elements 7 hat hierbei keinen Einfluss auf den Einfluss den das Element 7 auf störende Magnetfelder ausübt.

Das Element 7 kann beispielsweise in Form eines Quadrates, in Form eines Ringes, in Form eines Oktaeders, in Form eines Dodekaeders oder in jeder beliebig anderen Form ausgebildet sein .

In Figur 2 und Figur 3 ist ein Ausschnitt der Figur 1 gezeigt, der die Positionierung der Elemente 7 im Bereich des magnetfeldsensitiven Bauelements 4 näher darstellen soll. Die exakte Position des Elements 7 ist nicht von großer Bedeutung, es sollte nur gewährleistet sein, dass das Element 7 in der Nähe des magnetfeldsensitiven Bauelements 4 angeordnet ist, damit störende Magnetfelder in der Umgebung der Messanordnung gebündelt werden können und durch das magnetfeldsensitive Bauelement 4 geleitet werden können.

Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte Anzahl möglicher Weiterbildungen der Erfindung beschrieben werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Es ist prinzipiell möglich, eine andere Anzahl der Steuerwicklungen, eine andere Form des Magnetkreises für die Anordnung zu verwenden oder die Elemente in versetzter Lage zueinander anzuordnen. Die Erfindung ist nicht auf die Anzahl der schematisch dargestellten Elemente beschränkt.

Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände und Verfahren ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - beliebig miteinander kombiniert werden.

Bezugszeichenliste

1 elektrischer Leiter

2 Magnetkreis

3 Luftspalt

4 Magnetfeldsensitives Bauelement

5 Steuerkern

6 Steuerwicklung

7 Zusätzliches Element